劉永仇美劉福勝 范軍馬飛韓君格盧華

(山東農(nóng)業(yè)大學水利土木工程學院，山東 泰安 271078)

0 引言

目前對建筑物圍護結構的計算方法有3 種，分別是圍護結構實測、解析方法、數(shù)值模擬。圍護結構實測周期長，一般需要5年甚至更長的時間，且得不到完整的溫度場數(shù)據(jù)。解析方法對于求解簡單的導熱問題，是相當繁難和復雜的，對于復雜幾何形狀的物體和非線性邊界條件下的導熱問題幾乎是不可能完成的。 建立在有限差分法，有限元法和邊界元法基礎上的數(shù)值模擬算法是求解溫度場問題的十分有效的方法，是一種具有足夠準確性的近似方法。 本文采用基于有限單元法的ADINA 軟件對小麥秸稈砌塊進行溫度場的數(shù)值模擬。

1 模型建立

1.1 計算模型

由于小麥秸稈砌塊的內(nèi)外表面均為復雜的對流和輻射耦合換熱，所以是一個非線性輻射，對流邊界條件下的三維瞬態(tài)傳熱問題。本文只是對單純的小麥秸稈砌塊進行溫度場的數(shù)值模擬，不考慮輻射，基于前述對夾心秸稈砌塊墻保溫隔熱的測試，因溫度僅隨位置變化而不隨時間變化，視為穩(wěn)態(tài)導熱問題。 為使理論建模成為可能，故做如下假設：

(1)小麥秸稈砌塊前后兩面為恒定不變的溫度，其余各面均為絕熱條件，可以將導熱問題簡化為二維導熱；

表1 小麥秸稈砌塊的熱物性參數(shù)

(2)小麥秸稈砌塊為均勻連續(xù)、各向同性的常物性砌塊；

(3)材料結合緊密，忽略各不同材料之間的熱阻[1-2]；

在傅里葉定律的基礎上，借助熱力學第一定律，即能量守恒與轉(zhuǎn)化定律，把物體內(nèi)各點的溫度關聯(lián)起來，對于沒有內(nèi)熱源的穩(wěn)態(tài)溫度場，建立起溫度場的導熱微分方程，如公式1 所示：

即導入微元體的熱量等于導出微元體的熱量。

1.2 幾何條件

小麥秸稈砌塊為長、寬、高分別為140mm、120mm、170mm的立方體。 如圖1 所示：

1 所指示的面即為保持恒定溫度的面，與之對應的后面溫度也是恒定的。

1.3 物理條件

小麥秸稈砌塊由不同材料組成。小麥秸稈砌塊的熱物性參數(shù)如表1 所示。

1.4 邊界條件

為說明物體邊界上過程進行的特點，反映過程與周圍環(huán)境相互作用的條件稱為邊界條件。

第一類邊界條件是已知任何時刻物體邊界面上的溫度值，即公式2：

式中下標s 表示邊界面，是溫度在邊界面s的給定值。 對于穩(wěn)態(tài)導熱過程，不隨時間發(fā)生變化。

第二類邊界條件是已知任何時刻物體邊界面上的熱流密度值。因為傅里葉定律給出了熱流密度矢量與溫度梯度之間的關系，所以第二類邊界條件等于已知任何時刻物體邊界面s法向的溫度變化率的值。 這里我們假設其余面是絕熱條件，根據(jù)傅里葉定律，該邊界面上溫度變化率數(shù)值為零，即公式3：

2 模擬結果

為了進行二維穩(wěn)態(tài)數(shù)值分析，在ADINA 中建立了一個2D 軸對稱導熱模型，計算區(qū)域是170mm×140mm的長方形。 劃分網(wǎng)格每邊10 份，每個單元劃分中采用9 節(jié)點生成單元圖見圖2。

模型的分析主要是對小麥秸稈砌塊溫度場的分析，圖3 是小麥秸稈砌塊在假設條件下的溫度場。 溫度的最大值為38.47，最小為9.96 。 整個小麥秸稈砌塊導熱過程穩(wěn)定，得出的溫度場規(guī)整有序，直觀看出小麥秸稈砌塊保溫隔熱性能的優(yōu)越性，是新型墻體材料的優(yōu)選。

圖4 是小麥秸稈砌塊的熱流密度圖，通過本圖可以看出小麥秸稈砌塊只在最高溫度一側熱流密度大，在最低溫度一側幾乎不受影響，說明小麥秸稈砌塊熱阻值較大。

3 結果分析

通過數(shù)值模擬得出的圖形，可得出如下結論：

（1）小麥秸稈砌塊導熱完全符合熱力學規(guī)律，熱分析模擬值與試驗測出的值吻合較好，說明文中采用的模型假設與邊界加載條件都是接近實際的。

（2）通過試驗研究，小麥秸稈砌塊具有良好的保溫隔熱性能，滿足節(jié)能要求。

（3）通過此研究，可降低環(huán)境污染，降低工程造價，值得進一步推廣。

[1]李紅梅，金偉良，葉甲淳.混凝土小型空心砌塊建筑溫度場的數(shù)值模擬[J].新型墻體材料與施工,2004,(3):58-61.

[2]李紅梅，金偉良，葉甲淳，王有為.建筑維護結構的溫度場數(shù)值模擬[J].建筑結構學報,2004,25,(12):93-98